李 克 潘春鋒 張 宇 曾文平 韓 慧

（1．中國石油西南油氣田公司天然氣研究院）

（2．中國石油天然氣集團公司天然氣質(zhì)量控制和能量計量重點實驗室）（3．中國石油集團東南亞管道有限公司）

1 實施天然氣能量計量的必要性

近年來，隨著我國對能源需求的高速增長，天然氣工業(yè)發(fā)展迅猛，國際、國內(nèi)貿(mào)易量逐年上升。據(jù)國家發(fā)展改革委員會公布的數(shù)據(jù)，2012年中國天然氣表觀消費量為1 471×108m3，進口管道氣和LNG為425×108m3，占2012年天然氣消費量的29%。頁巖氣、煤層氣和煤制氣等多品種氣源已進入或即將進入天然氣管網(wǎng)，我國天然氣氣質(zhì)復雜化的輸送和市場格局已經(jīng)形成。氣源不同導致進入管網(wǎng)的天然氣發(fā)熱量等氣體質(zhì)量必然存在差異，目前國內(nèi)各類天然氣氣源中，煤層氣的體積發(fā)熱量最小值為34 MJ／m3，進口LNG體積發(fā)熱量區(qū)間為38～43MJ／m3，最大差異達到26%。當天然氣年銷售量達到1 500×108m3，平均門站供氣價格達到2．30元／m3時，熱值相差5%，就意味著170億元以上的經(jīng)濟價值差額［1］。因此，從國內(nèi)氣源氣質(zhì)復雜化的現(xiàn)實和與國際接軌的需要出發(fā)，天然氣貿(mào)易按能量進行計量和結算的要求是非常迫切的。

2 能量計量研究現(xiàn)狀

目前，我國天然氣貿(mào)易交接普遍采用體積計量方式。在中土進口天然氣項目中，與土庫曼斯坦簽訂的商務技術協(xié)議規(guī)定天然氣按體積流量進行貿(mào)易交接，同時規(guī)定了發(fā)熱量必須達到的技術指標，當發(fā)熱量低于某個值時，則會在經(jīng)濟上給予一定的補償。天然氣貿(mào)易交接從體積計量到能量計量的轉(zhuǎn)變涉及諸多復雜的問題，國內(nèi)學者進行了廣泛深入的探討。周志斌等［2］概述了國外天然氣能量計量進展情況，對國外天然氣能量計價方式和能量價格現(xiàn)狀進行了歸納與分析；張偉和周進生［3］論述了天然氣實施能量計量的經(jīng)濟必然性和技術可行性；黃維和、羅勤等［4］分析了中國天然氣能量計量體系在天然氣能量計量標準體系、能量計量相關設備的配置和性能評價、體積流量和發(fā)熱量量值溯源鏈、標準參比條件和結算單位等方面的現(xiàn)狀；陳賡良［5－6］介紹了天然氣能量計量的相關法制問題以及分析測試的溯源性準則；韓玲莉和張福元［7］介紹了天然氣能量計量的不確定度評定方法；李勁松、溫家明［8］介紹了中海油崖城13－1氣田的能量計量交易模式和分配計量方法。

根據(jù)GB／T 22723－2008《天然氣能量的測定》和天然氣能量測定的基本準則要求，發(fā)熱量直接測量方法是溯源的基礎，是實現(xiàn)全面能量計量非常重要的技術環(huán)節(jié)。發(fā)熱量賦值方法是標準認可的發(fā)熱量獲取方式中重要的一項，在德國的能量計量實踐中，考慮到經(jīng)濟性和必要性等因素，在1 600個計量用戶、50余個進氣點中僅有400多個安裝有在線氣相色譜儀，其他交接點均依靠賦值實現(xiàn)能量計量。因此，本文就國內(nèi)學者較少提及的發(fā)熱量直接測量和賦值方法做簡要介紹。

3 發(fā)熱量直接測量

天然氣能量的溯源包括直接測量和間接測量兩個部分，如圖1所示。法國、德國、俄羅斯等國家擁有不確定度≤±0．1%、準確度等級為0級的發(fā)熱量直接測定技術和裝置，正在向0．05%的不確定度水平發(fā)展。溯源鏈的4個等級為：0級，不確定度0．10%，測定精度 ±0．04MJ／m3，實驗室用基準儀器，主要用于間歇測定；1級，不確定度0．25%，測定精度 ±0．1MJ／m3，現(xiàn)場連續(xù)測定用的最高等級；2級，不確定度0．50%，測定精度 ±0．2MJ／m3，一般現(xiàn)場連續(xù)測定用；3級，不確定度1．0%，測定精度±0．5MJ／m3，一般現(xiàn)場連續(xù)測定用。

目前，中國計量科學研究院保存的水流式熱量計，不確定度水平≤1．0%（純甲烷），僅相當于ISO 15971－2008《天然氣：參數(shù)測量、發(fā)熱量和沃泊指數(shù)》中規(guī)定的3級水平，不能滿足GB／T 18603－2001《天然氣計量系統(tǒng)技術要求》中A級站規(guī)定的發(fā)熱量測定不確定度≤0．5%的要求。在全國范圍內(nèi)推行天然氣能量計量，在大貿(mào)易量的情況下，完備的溯源體系是建立貿(mào)易各方爭議協(xié)議與仲裁機制的基礎。因此，國內(nèi)應具備完善的天然氣發(fā)熱量測定量值量傳體系，保存發(fā)熱量直接測定一級和基準級標準裝置，保證量傳和溯源功能的相對權威性和獨立性。

3．1 測定原理

燃燒法測定天然氣發(fā)熱量的基本原理是：將一定量的天然氣配以適量空氣后完全燃燒，再利用不同的方式來測定其釋放出的熱量，測定方法可分為直接式和間接式兩大類。直接式測量方法是利用另一種介質(zhì)（如水或空氣）與燃燒后的煙氣換熱，再測定換熱介質(zhì)的溫升來確定天然氣的發(fā)熱量，這種測量方法是國際公認的基本測量方法，但只適用于間歇測定。間接測量方法是間接測定天然氣燃燒過程的某種物理化學特性，再利用此特性與發(fā)熱量的線性關系來確定發(fā)熱量。工業(yè)上使用的是利用當量燃燒原理的儀器，可用于在線測定。

3．2 GERG標準熱量計

GERG （Groupe Européen de Recherches Gazières，歐洲氣體研究組織）2002年立項在德國PTB（Physikalisch－Technische Bundesanstalt，德國聯(lián)邦物理技術實驗室）建立一套新的直接測量式標準熱量計用于確定純組分氣和混合氣的高位發(fā)熱量。該裝置的測量技術由美國國家標準局Frederick D．Rossini研制，并在歐洲廣泛采用，是ISO 15971－2008推薦的0級基準裝置。

研究［9］表明，基于 Rossini（羅西尼）測量原理的裝置的不確定度可以達到0．05%（k＝2）的不確定度水平。由這套裝置測得的純甲烷氣體的摩爾發(fā)熱量為890．578kJ／mol，與ISO 6976－1995《天然氣發(fā)熱量、密度、相對密度和沃泊指數(shù)的計算方法》中給出的890．63kJ／mol非常接近。

標準熱量計的工作原理是通過模擬燃燒的熱釋放過程，采用等效的電阻式加熱校準，當燃燒過程釋放的熱量與電阻絲加熱時釋放的熱量使得吸熱介質(zhì)（水）溫度變化以及熱釋放過程基本一致時，這就可以通過已知的校準用電熱量計算得到氣體的發(fā)熱量。如圖2所示，理想的熱量計與環(huán)境之間應有良好的隔熱處理，這樣才能保證測得的溫度變化只與燃燒反應釋放的熱量相關。高位發(fā)熱量通過式（1）計算：

式中：HS為高位發(fā)熱量，MJ／m3；ccomb為熱量計的熱容，J／K；ΔTad．comb為氣體燃燒后造成的溫度升高值，K；mgas為氣體質(zhì)量，kg；K 為校正系數(shù)。

3．3 我國發(fā)熱量直接測量裝置發(fā)展現(xiàn)狀

中國石油西南油氣田公司天然氣研究院目前正在建設一套1級發(fā)熱量直接測定系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用Cutler－Hammer發(fā)熱量測定技術，用燃燒法直接測定天然氣發(fā)熱量，氣體發(fā)熱量測定范圍36～43 MJ／m3，并且可擴展至30～45MJ／m3。發(fā)熱量測定相對不確定度優(yōu)于0．25%（36～43MJ／m3，k＝2）。

Cutler－Hammer熱量計是ISO 15971－2008推薦的1級標準裝置，最高可以達到0．17%（k＝2）的不確定度水平。它的測量原理是：一定量的氣體完全燃燒，通過熱交換器，將燃燒產(chǎn)生的熱量傳遞給相關熱吸附介質(zhì)（一般為空氣），使得介質(zhì)的溫度隨之升高，通過檢測介質(zhì)升高的溫度就可以計算得到相關氣體的單位發(fā)熱量值。

建立這套裝置的目的是逐步提高我國天然氣發(fā)熱量直接測定的技術水平，在此基礎上進一步努力，達到國際0級水平，完善發(fā)熱量直接測量溯源鏈建設，為我國全面推行天然氣能量計量及結算提供溯源基礎。

4 天然氣發(fā)熱量間接測量及能量計算

GB／T 22723－2008規(guī)定，天然氣發(fā)熱量直接測量是發(fā)熱量測量的溯源基礎，同時也給出可用的天然氣發(fā)熱量間接測量方法，即通過氣相色譜儀測得天然氣的組成（在線或離線），然后根據(jù)GB／T 11062－1998《天然氣－發(fā)熱量、密度和相對密度的計算》由組成數(shù)據(jù)計算得到單位發(fā)熱量數(shù)值。發(fā)熱量間接測量采用與發(fā)熱量直接測量系統(tǒng)完全不同的裝置和技術，并且屬于完全不同的兩個溯源體系。

流量計量與發(fā)熱量測量二者聯(lián)合才能構成能量計量。通過發(fā)熱量直接測量或間接測量技術得到的單位發(fā)熱量均需與流量進行積分才能得到某一時間段內(nèi)通過界面的天然氣能量值。

5 發(fā)熱量賦值

在生產(chǎn)實際中，天然氣輸氣管網(wǎng)上的許多站點沒有條件安裝氣相色譜儀，因此在已知管道布局和氣源狀態(tài)前提下，對天然氣物性參數(shù)隨管道長度、流速、壓力和時間等因素的變化規(guī)律進行計算，用狀態(tài)重構和流體力學的方法建立數(shù)學模型是十分重要和必要的。具體計算過程是：根據(jù)基本的流體力學方程組推導管線壓力分布和質(zhì)量流量的計算公式，結合物性參數(shù)求出體積流量和流動速度，進而求出有在線色譜設備的站點測出的氣體組分到達被賦值站點的流動時間，從而對組分和發(fā)熱量進行賦值計算。

5．1 水平管段流動模型

氣體在管道內(nèi)流動時可視為一元流動，滿足質(zhì)量守恒、動量守恒和能量守恒，由流體力學基本原理可建立相應的連續(xù)性方程、能量方程、運動方程和氣體狀態(tài)方程，這些方程描述了氣體的壓力、密度、流速和溫度、壓縮因子等物理量之間的關系。為了簡化推導過程，可作如下假設：

（1）氣體在管道中的流動過程為等溫過程，即溫度不變，T＝常數(shù)。

（2）氣體在管道中的流動為穩(wěn)定流動，即氣體的質(zhì)量流量，在管道的任一截面上為常數(shù)，即氣體的質(zhì)量流量不隨時間也不隨距離而改變。根據(jù)以上的假設條件可得穩(wěn)定流動時氣體管流的基本方程為：

式中：p 為壓力，Pa；ρ為氣體密度，kg／m3；λ 為水力摩阻系數(shù)；x為管道的軸向長度，m；D為管道內(nèi)徑，m；v為管內(nèi)氣體流速，m／s；g為重力加速度，m／s2；s為高程，m。

式中：PQ為輸氣管計算段的起點壓力，MPa；PZ為輸氣管計算段的終點壓力，MPa；D為管道內(nèi)徑，m；λ為水力摩阻系數(shù)；Z為天然氣在管道輸送條件下的壓縮系數(shù)；R為氣體常數(shù)；T為天然氣的平均溫度，K；L為輸氣管道計算段的長度，m。

5．2 地形起伏管段流動模型

當輸氣管線路上有高于或低于起點高程200m以上的地段時，就應該考慮高差和地形起伏對輸氣管輸氣能力的影響。這樣的輸氣管可以看作是不同坡度的直管段連接而成。每一段的起始點和終點就是線路上的地形起伏較大的特征點。特征點之間微小的起伏則予以忽略。對于任意坡度的直管段，忽略氣體流速增大影響穩(wěn)定流動的因素，其方程為：

當?shù)匦胃卟钚∮?00m時ds＝0，則可求得水平輸氣管道質(zhì)量流量為：

式中：Δs為高差，m；l為相同斜率的直管段長度，m。則式（4）可整理為：

如圖3所示，每一段的起始點和終點就是線路上的地形起伏較大的特征點，特征點之間微小的起伏則予以忽略。對式（5）在圖3（b）中所示的各段進行積分可得到式（6）：

對各管段的方程組進行求解并整理和簡化得到高程有起伏的管道穩(wěn)態(tài)運行時的質(zhì)量流量為：

式中：pQ為每一段輸氣管計算段的起點壓力，MPa；pZ為每一段輸氣管計算段的終點壓力，MPa；sz為起點高程，m；li為斜率相同的直管段長度，m；si－1為各段起點高程，m；si為各段終點高程，m；L 為輸氣管道總長度，m。

在計算過程中，根據(jù)用戶選擇的步長將管道分為多個小的管段，根據(jù)起始端壓力計算每一個小段末端的壓力值可得出整根管道的壓力分布。

5．3 流動速度和時間計算

天然氣密度和相對密度計算可參考文獻［10］，壓縮系數(shù)計算可參考文獻［11－13］，燃燒熱值計算可參考文獻［14］。

根據(jù)各管段的質(zhì)量流量及物性參數(shù)可求出體積流量，進而求出流動速度：

式中：Pi（x，t）為天然氣管段第i段處的壓力，MPa；Qi（x，t）為天然氣管段第i段處的流量，NM3／D；vi為天然氣管段第i段處的流動速度，m／s。

流動時間：

式中：Δxi為差分計算步長，m；Δt為流動時間，s。

6 結論與建議

國內(nèi)天然氣能量計量的標準和相關法規(guī)基本與國際接軌，達到先進水平，能夠滿足能量計量實施的需要。但在發(fā)熱量直接測定裝置的研發(fā)方面與國外先進水平還有不小的差距，德國等國家的發(fā)熱量直接測定裝置的測量不確定度已經(jīng)可以達到0．05%的水平，而國內(nèi)目前只能達到1．0%的不確定度水平，遠不能達到能量計量溯源基準的要求，因此應在這方面加大研究力度。

發(fā)熱量賦值模型方面，本文介紹了由流體力學基本理論出發(fā)，結合等溫和穩(wěn)態(tài)流動假設，得到了水平和起伏管段各自的流速計算公式，給出了氣體在管道內(nèi)流動時間的計算方法，奠定了賦值軟件的基礎。但在實際生產(chǎn)中，管道的輸氣溫度必然與環(huán)境溫度相關，在閥門、接頭、流量計等處必然存在湍流，因此模型的計算和賦值精度必然受到一定程度的限制。另外，在天然氣輸送過程中，管道的實際運行參數(shù)如流量、壓力、溫度、管道坡度等均會對賦值模型計算結果的不確定度產(chǎn)生影響。因此，管道管理公司提高信息化管理水平和數(shù)據(jù)應用能力是賦值技術能夠達到現(xiàn)場賦值精度要求的必要條件。

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